电芯卷绕结构、卷芯及电池的制作方法

1.本发明涉及电池技术领域，具体是涉及一种电芯卷绕结构、卷芯及电池。


背景技术：

2.二次电池的卷绕式电芯(或称卷芯)装配过程大多采用圆形或椭圆形卷针，将卷芯组件卷绕成型，其中，卷芯组件包括正极片、负极片和隔离层。目前，卷绕过程基本是将一段正极片、一段负极片和两段隔离层相互层叠后从一端开始卷绕，当前卷绕方式存在以下问题：每个卷芯组件采用单组卷绕的方式，从起始端开始卷绕直至收尾端结束，起始端和收尾端分别位于卷芯组件的相远离端，卷绕过程消耗时间较长。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种电芯卷绕结构、卷芯及电池，提高生产效率，至少解决现有卷绕结构耗时长的问题。
4.第一方面，本发明提供一种电芯卷绕结构，包括电芯及卷针，所述电芯包括至少两组极片组件，每组所述极片组件包括正极片、负极片以及用于将所述正极片和所述负极片隔离的隔离层；
5.所述卷针上设置有一个插接开口，所述插接开口上设置有至少两组极片组件；或
6.所述卷针上设置有至少两个插接开口，至少两个插接开口上分别设置有至少一组极片组件。
7.进一步地，所述电芯包括至少两组极片组件，所述卷针上设置有至少两个插接开口，至少两个插接开口上分别设置有至少一组极片组件时，所述至少两组极片组件沿卷针的周向分布，所述至少两组极片组件沿卷绕方向交叉卷绕形成交叉卷绕式电芯。
8.进一步地，所述至少两组极片组件沿所述卷针的周向均匀分布。
9.进一步地，所述卷针上设置一个插接开口，所述插接开口上设置有至少两组极片组件时，其中一组极片组件具有一段沿所述卷绕方向紧贴所述卷针的表面的起始隔离段，所述起始隔离段包裹所述卷针；
10.或，
11.所述卷针上设置有至少两个插接开口，至少两个插接开口上分别设置有至少一组极片组件时，每个插接开口上的其中一组所述极片组件的隔离层具有一段沿所述卷绕方向紧贴所述卷针的表面的起始隔离段，所述至少两组极片组件的起始隔离段包裹所述卷针。
12.进一步地，所述卷针上设置有至少两个插接开口，至少两个插接开口上分别设置有至少一组极片组件时，所述极片组件的负极片的起始端插入另一组极片组件的拐角位置。
13.进一步地，所述卷针上设置有一个插接开口，所述插接开口上设置有至少两组极片组件时，所述卷针在所述插接开口上设置有一个连接组件，所述连接组件连接设置在所述插接开口上的所有极片组件上；
14.或，
15.所述卷针上设置有至少两个插接开口，至少两个插接开口上分别设置有至少一组极片组件时，所述卷针上沿其周向设置有至少两组连接组件，所述连接组件的数量不少于所述插接开口的数量；所述至少两个插接开口与所述至少两组连接组件一一对应的连接。
16.进一步地，每组所述极片组件具有沿所述卷绕方向相远离的起始端和收尾端，每组所述极片组件的起始端与所述卷针连接，每组所述极片组件的负极片的收尾端位于所述电芯的外侧,且该组极片组件的负极片的收尾端覆盖另一组极片组件的正极片的收尾端。
17.进一步地，所述电芯卷绕结构的每层负极片上的负极极耳增大的模切间距为该层负极片拐角半圆周长和该层负极片向内一层负极片拐角半圆周长之差，每层正极片上的正极极耳增大的模切间距为该层正极片拐角半圆周长和该层正极片向内一层正极片拐角半圆周长之差。
18.进一步地，所述卷针上设置有夹紧装置，所述夹紧装置设置在卷针的中心，用于夹紧或松开所述隔离层，所述插接开口设置在夹紧装置的两侧。
19.进一步地，所述卷针为圆柱状结构。
20.第二方面，本发明还提出一种卷芯，包括上述任一项实施方案的电芯卷绕结构的抽离所述卷针后的电芯。
21.第三方面，本发明还提出一种电池，所述电池包括壳体和设于所述壳体内的如上述第二方面提出的卷芯。
22.与现有技术相比，本发明的优点如下：通过设置至少两组极片组件，利用卷针自转以驱动卷针上的多组极片组件沿卷绕方向交叉卷绕，相比传统电芯卷绕方式而言，可以成倍提高卷绕速率，提高生产效率；且交叉卷绕方式可使极片组件的拐角曲率更小，更易满足电芯设计n/p比，降低拐角析锂现象发生概率。
附图说明
23.图1是本发明交叉卷绕式电芯的立体结构示意图。
24.图2是本发明第一种实施方式中电芯卷绕结构完成卷绕后的横截面示意图。
25.图3是本发明图2中电芯卷绕结构的卷绕方式结构示意图。
26.图4是本发明图3中电芯卷绕结构的卷针上设置有两组极片组件的隔离层的结构示意图。
27.图5是本发明图4的卷针转动180
°
后使隔离层形成起始隔离段的结构示意图。
28.图6是本发明电芯卷绕结构的卷针的结构示意图。
29.图7是本发明第二种实施方式中电芯卷绕结构的卷绕方式结构示意图。
30.图8是本发明图7的电芯卷绕结构完成卷绕后的横截面示意图。
31.图中：1-电芯；2-极耳；3-卷针；310-插接开口；320-夹紧装置；330-下料杆插入点；4-极片组件；5-起始隔离段；120/140/160/180-隔离层；130/170-正极片；110/150-负极片。
具体实施方式
32.现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆
盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。
33.为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
34.注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。
35.现有电芯的卷绕过程基本是将一段正极片、一段负极片和两段隔离层相互层叠后从一端开始卷绕，直至正极片、负极片、隔离层的另一端卷绕完成。当前卷绕方式存在以下问题：每个卷芯组件或称极片组件采用单组卷绕的方式，从起始端开始卷绕直至收尾端结束，起始端和收尾端分别位于卷芯组件的相远离端，卷绕过程消耗时间较长，尤其是当正极片或负极片较长时，起始端和收尾端的距离较远，卷绕所需次数非常多，耗时长，卷绕速率低。
36.为了解决上述技术问题，本技术提供了如图1-8所示的电芯卷绕结构，包括电芯以及用于卷绕电芯的卷针，电芯包括至少两组极片组件；卷针驱动至少两组极片组件卷绕；每组极片组件包括正极片、负极片以及用于将正极片和负极片隔离的隔离层。
37.卷针上设置有至少两个插接开口，至少两个插接开口上分别设置有至少一组极片组件。或者，
38.卷针上设置有一个插接开口，插接开口上设置至少两组极片组件。
39.在本发明中，插接开口的数量可以根据极片组件的组数进行调整，插接开口的数量大于等于1，且小于等于极片组件的组数。
40.作为本发明的第一种实施方式：
41.卷针上设置有至少两个插接开口，至少两个插接开口上分别设置有至少一组极片组件。
42.在此种实施方式中，具体地，每一插接开口上设置每一组极片组件，即插接开口与极片组件一一对应。或者，至少两个插接开口中，其中至少一个插接开口与每一组极片组件一一对应设置，至少一个插接开口上设置至少两组极片组件。
43.在此种实施方式中，以每一插接开口上设置每一组极片组件，即插接开口与极片组件一一对应为例进行具体说明。
44.如图1所示交叉卷绕式电芯的立体结构示意图，其电芯卷绕结构完成卷绕后的横截面如图2所示。
45.所述电芯包括至少两组极片组件；所述至少两组极片组件沿卷针的周向分布，所述至少两组极片组件沿卷绕方向交叉卷绕形成交叉卷绕式电芯；每组所述极片组件包括正极片、负极片以及用于将正极片和负极片隔离的隔离层。
46.具体地，卷针自转以驱动至少两组极片组件沿卷绕方向交叉卷绕形成交叉卷绕式电芯。每组极片组件具有沿卷绕方向相远离的起始端和收尾端，每组极片组件的负极片的收尾端位于电芯卷绕结构的外侧，且该组极片组件的负极片的收尾端覆盖另一组极片组件的正极片的收尾端。在一个实施例中，负极片位于电芯的外侧。电芯的收尾端数量与极片组
件的数量相同。
47.具体地，电芯的收尾端设置在电芯的拐角位置。如图2所示的交叉卷绕式电芯的左右两侧的弧形结构为极片组件或电芯的拐角位置，图2所示的交叉卷绕式电芯的上下两端的平直结构为极片组件或电芯的大面，电芯在进行热压处理时，施压面为电芯的大面。若将收尾端设置在电芯的拐角位置，在电芯热压处理时，不会热压到收尾端的边缘，避免压痕对正极片/负极片造成影响。
48.如图2所示，负极片的起始端长于正极片的起始端，负极片的收尾端长于正极片的收尾端。由于电芯充电时，正极析出的锂要嵌入负极，因此负极片的余量要多于正极片，为正极析出的锂提供嵌入空间。
49.如图3所示，利用卷针卷绕电芯时，每组极片组件的起始端与卷针连接。
50.具体地，每组极片组件包括正极片、负极片以及用于将正极片和负极片隔离的隔离层。
51.示例性地，每组极片组件包括两层隔离层，其中一层隔离层设置在正极片和负极片之间，另一层隔离层设置在正极片背对负极片的表面。
52.隔离层旨在将正极片和负极片进行隔离，防止短路。其位于正极片背对负极片的表面为优选的一种实施方式，可根据实际情况，亦相对负极片表面设置。
53.具体地，卷针上沿其周向设置有连接组件，连接组件可以是设置在卷针上的插接开口本身所形成或其他常用的卷针用于卷绕电芯时的连接结构。
54.具体地，如图6所示，卷针上设置有夹紧装置，夹紧装置优选设置在卷针的中心，用于夹紧或松开隔离层。卷针上的连接组件为设置在夹紧装置两侧的插接开口，竖立状态的隔离层通过插接开口插入至卷针内，并被夹紧装置夹紧。
55.需要说明，正极片和负极片不进入插接开口内，每组极片组件的正/负极片顺着隔离层进入卷绕进程。
56.具体地，卷针上还设置有下料杆插入点，用于在卷针抽离后，插入下料杆，以支撑并移动卷芯。
57.具体地，每个插接开口上的其中一组极片组件的隔离层具有一段沿卷绕方向紧贴卷针的表面的起始隔离段，至少两组极片组件的起始隔离段包裹卷针。起始隔离段旨在将负极片与卷针隔离，防止短路。
58.本实施例中的两组极片组件沿卷针的周向均匀分布，即两组极片组件设置在卷针的径向两侧，起始隔离段沿卷绕方向的长度为卷针的周长与极片组件的数量的比值，本实施例中，极片组件数量为二，且均匀分布，则起始隔离段卷绕的长度为卷针周长的二分之一。若极片组件数量为三，且均匀分布，则起始隔离段卷绕的长度为卷针周长的三分之一。每个极片组件的起始隔离段包围卷针一段区域，最终卷针周围的所有极片组件的起始隔离段包裹卷针。
59.卷针被起始隔离段包裹后，再插入正/负极片，卷针继续转动，使两组极片组件进行交叉卷绕。
60.如图4所示为电芯卷绕结构的卷针上设置有两组极片组件的隔离层的结构示意图。卷针顺时针转动180
°
后，如图5所示，两个隔离层分别形成一个周长为卷针周长一半的起始隔离段，两个起始隔离段包裹卷针；随后，插入每组极片组件的正/负极片，卷针继续转
动，使两组极片组件进行交叉卷绕。交叉卷绕的卷芯各拐角位置曲率更小，有利于避免拐角析锂现象的产生。
61.本实施例中，卷针为圆柱状结构。圆柱状结构可以是圆柱体或椭圆柱体，也可以是其他可以满足卷绕目的的卷针。
62.优选的，所述一组极片组件的负极片的起始端插入另一组极片组件的拐角位置，避免最内圈拐角因完全折叠产生的极片断裂。
63.本实施例的电芯相比传统卷芯而言，除第一圈外，每组极片组件卷绕时，在拐角处会被另一组极片组件隔开，因此在模切时极耳间距更大。可使极片组件的拐角曲率更小，更易满足电芯设计n/p比，降低拐角析锂现象发生概率。
64.相较于传统卷芯而言，本实施例的电芯的负极极耳和正极极耳的模切间距均有增大。每层负极片上的负极极耳增大的模切间距为该层负极片和其向内一层负极片在拐角位置的半圆周长之差，每层正极片上的正极极耳增大的模切间距为该层正极片和其向内一层正极片在拐角位置的半圆周长之差。以最外侧的负极极耳和正极极耳为例，负极极耳增大的模切间距为该层(电芯由外向内的第一层)负极片拐角半圆周长和该层向内的一层(电芯由外向内的第二层)负极片拐角半圆周长之差，正极极耳增大的模切间距为该层(电芯由外向内的第一层)正极片拐角半圆周长和该层向内的一层(电芯由外向内的第二层)正极片拐角半圆周长之差。
65.通过在卷针的周向分布至少两组极片组件，利用卷针自转以驱动卷针上的多组极片组件沿卷绕方向交叉卷绕，相比传统电芯卷绕方式而言，可以成倍提高卷绕速率，提高生产效率；且交叉卷绕方式可使极片组件的拐角曲率更小，更易满足电芯设计n/p比，降低拐角析锂现象发生概率。
66.作为本发明的第二种实施方式：
67.卷针上设置有一个插接开口，插接开口上设置至少两组极片组件。
68.示例性的，如图7所示，卷针上设置有一个插接开口，该插接开口上设置有两组极片组件。
69.如图8所示为图7的卷针自转后该一个插接开口的两组极片组件卷绕后的示意图。为了便于观察，图8中隐藏了隔离层。
70.每组极片组件包括正极片、负极片以及用于将正极片和负极片隔离的隔离层。
71.具体地，卷针自转以驱动至少两组极片组件沿卷绕方向卷绕形成电芯。
72.每组极片组件具有沿卷绕方向相远离的起始端和收尾端，每组极片组件的负极片的收尾端，相比该组极片组件的正极片的收尾端而言，负极片的收尾端位于电芯卷绕结构的外侧，且该组极片组件的负极片的收尾端覆盖另一组极片组件的正极片的收尾端。
73.本实施方式中，最内侧的极片组件的负极片的收尾端位于电芯卷绕结构的最外侧。
74.具体地，电芯的收尾端设置在电芯的拐角位置。如图8所示的电芯卷绕结构的左右两侧的弧形结构为极片组件或电芯的拐角位置，图8所示的电芯卷绕结构的上下两端的平直结构为极片组件或电芯的大面，电芯在进行热压处理时，施压面为电芯的大面。若将收尾端设置在电芯的拐角位置，在电芯热压处理时，不会热压到收尾端的边缘，避免压痕对正极片/负极片造成影响。
75.利用卷针卷绕电芯时，每组极片组件的起始端与卷针连接。
76.示例性地，每组极片组件包括两层隔离层，其中一层隔离层设置在正极片和负极片之间，旨在将该组极片组件的正极片和负极片进行隔离，防止短路。另一层隔离层设置在正极片背对负极片的表面，旨在将该组极片组件的正极片与其外侧的一组极片组件的负极片进行隔离，防止短路。可根据实际情况，该另一层隔离层也可设置在负极片背对正极片的表面，旨在将该外侧组的极片组件的负极片与其内侧组的极片组件的正极片进行隔离，防止短路。
77.具体的，卷针在插接开口上设置有一个连接组件，连接组件连接设置在插接开口上的所有极片组件。连接组件可以是设置在卷针上的插接开口本身所形成或其他常用的卷针用于卷绕电芯时的连接结构。
78.卷针上设置有夹紧装置，夹紧装置优选设置在卷针的中心，用于夹紧或松开隔离层。卷针上的连接组件为设置在夹紧装置两侧的插接开口，竖立状态的隔离层通过插接开口插入至卷针内，并被夹紧装置夹紧。
79.需要说明，正极片和负极片不进入插接开口内，每组极片组件的正/负极片顺着隔离层进入卷绕进程。
80.具体地，卷针上还设置有下料杆插入点，用于在卷针抽离后，插入下料杆，以支撑并移动卷芯。
81.卷针上设置一个插接开口，插接开口上设置有两组极片组件时，其中一组极片组件具有一段沿卷绕方向紧贴卷针的表面的起始隔离段，起始隔离段包裹卷针。起始隔离段旨在将最内侧的极片组件的负极片与卷针隔离，防止短路。本实施方式中，起始隔离段的长度为卷针的周长。即最外侧的极片组件的起始隔离段包围卷针一圈。
82.卷针被起始隔离段包裹后，再将最外侧的极片组件以内的极片组件的隔离层插入插接开口，然后再插入每组极片组件中的正/负极片，卷针继续转动，使两组极片组件的正极片、负极片卷绕在卷针上。由于两组极片组件卷绕在卷针上，相比现有工艺，每组极片组件受另一组极片组件的厚度影响，更远离卷针，使卷芯各拐角位置曲率更小，有利于避免拐角析锂现象的产生。
83.卷针为圆柱状结构。圆柱状结构可以是圆柱体或椭圆柱体，也可以是其他可以满足卷绕目的的卷针。
84.本实施例的电芯相比传统卷芯而言，除第一圈外，每组极片组件卷绕时，在拐角处会被另一组极片组件隔开，因此在模切时极耳间距更大。可使极片组件的拐角曲率更小，更易满足电芯设计n/p比，降低拐角析锂现象发生概率。
85.相较于传统卷芯而言，本实施例的电芯的负极极耳和正极极耳的模切间距均有增大。每层负极片上的负极极耳增大的模切间距为该层负极片和其向内一层负极片在拐角位置的半圆周长之差，每层正极片上的正极极耳增大的模切间距为该层正极片和其向内一层正极片在拐角位置的半圆周长之差。以最外侧的负极极耳和正极极耳为例，负极极耳增大的模切间距为该层(电芯由外向内的第一层)负极片拐角半圆周长和该层向内的一层(电芯由外向内的第二层)负极片拐角半圆周长之差，正极极耳增大的模切间距为该层(电芯由外向内的第一层)正极片拐角半圆周长和该层向内的一层(电芯由外向内的第二层)正极片拐角半圆周长之差。
86.通过在卷针的一个插接开口上设置至少两组极片组件，利用卷针自转以驱动卷针上的多组极片组件沿卷绕方向交叉卷绕，相比传统电芯卷绕方式而言，可以成倍提高卷绕速率，提高生产效率；且交叉卷绕方式可使极片组件的拐角曲率更小，更易满足电芯设计n/p比，降低拐角析锂现象发生概率。
87.具体地，其他特征和上一种实施方式相同，在此不做赘述。
88.基于同一发明构思，本发明还提出一种卷芯，包括上述任一实施例的电芯卷绕结构的抽离卷针后的电芯。
89.基于同一发明构思，本发明还提出一种电池，所述电池包括壳体和设于所述壳体内的卷芯。
90.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
91.需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
92.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。